Enstrümental Analiz

Enstrümental analiz, bir numune içerindeki hedef türe karşılık sinyal üreten cihazlarla yapılan analizlerdir. Üretilen sinyal, ışık şiddetindeki değişim (absorpsiyon, geçirgenlik ya da şiddet olabilir) olabileceği gibi elektriksel (potansiyel farkı, akım ya da impedans olabilir) olabilir.

Enstrümental cihazların çalışma prensibini kısaca özetleyecek olursak bir kaynaktan yayımlanan referans nicelik dedektöre ulaştırılır ve dedektör karşılık olarak bir sinyal oluşturur. Aynı işlem numune varlığında tekrar edilerek referans nicelik yeniden ölçülür ve ölçüm sonucu kaydedilir. Bu sistemlerde yapılması gereken, değeri doğru kabul edilen niceliklerin çalışılan sistemlerle ölçümü yapılarak bir çalışma grafiği oluşturmaktır. Örneğin piezoelektrik malzemeler bir stres uyguladığında strese karşılık potansiyel fark oluşturan sistemler olup analitik terazilerde kütle dedektörü olarak kullanılırlar. Analitik terazi kefesi boş iken piezo malzemenin 0,000 V üretmesi gereklidir. Tabii kefenin kendi kütlesinden kaynaklanan potansiyel fark oluşacağından bu değer sıfır kabul edilecektir ya da sıfırlanacaktır. Bu noktada dara alma işleminin ölçüm belirsizliği içerdiğini hatırlayınız.

Aşağıdaki şekilde gördüğünüz gibi terazi üzerine bir kütle konulduğunda sensör 0,15 V potansiyel fark oluşturmaktadır. Kütle ile özdeş ikinci bir kütle teraziye konduğunda ise sistem 0,30 V potansiyel fark oluşturacaktır. Tabii ki bu durum tüm kütlelerin tam anlamıyla eşit ve terazinin aynı kararlılıkta çalışması durumunda gerçekleşecektir ancak bu şekildeki ideal bir durumda çalışmak pek de mümkün değildir. Konumuza devam edecek olursak terazide tuğla sayısı ve sensörün ürettiği potansiyel fark arasında bir uyumun olduğu görülmektedir. Sensör her bir özdeş tuğla için 0,15 V potansiyel fark ürettiğine göre terazide 0,90 V okuması yapıldığında kefede 6 tuğla olması gerektiği sonucuna varırız. Yaptığımız dolaylı ölçümde her bir tuğlanın kütlesini değil, terazi kefesine koyduğumuz her bir tuğla için sensörün ürettiği potansiyel farkı okumaktayız.

Kimyasal analizlerde madde miktarına bağlı olarak renk değişimin ölçüldüğü ve bu yolla numunenin kantitatif analizinin yapıldığı işleme kolorimetri adı verilir. Bir spektrofotometre kullanarak bir numune içerisindeki Fe³⁺ iyonunun tayinini SCN^- iyonları ile oluşan kompleksin renginden yararlanarak gerçekleştirebiliriz.

[Fe(H₂O)₆]³⁺_(aq) + CNS^–_(aq) ⇆ [Fe(H₂O)₅CNS]²⁺_(aq) + H₂O_(s)

Aşağıdaki resimde farklı derişimlerde hazırlanan [Fe(H₂O)₅CNS]²⁺ çözeltilerinin renkleri görülmektedir. Demir iyonu içerdiği şüphelenilen analiz numunesine SCN^- çözeltisi eklendiğinde oluşacak rengi, derişimi bilinen çözeltiler ile kıyaslayarak demir miktarı analizini gerçekleştirebiliriz. Görsel ayrıma dayalı bu analiz, kayda değer oranda sistematik hata içereceğinden analizin enstrümental olarak gerçekleştirilmesi bu hatalardan olabildiğince uzaklaşmamızı sağlayacaktır.

Terazi örneğinde olduğu gibi, spektofotometre sadece ışık absorpsiyonunun (ya da transmitans) miktarını belirler. Bir spektrofotometrenin çalışma prensibi aşağıda özetlenmiştir.

Analiz için ilk adımı düşünelim; numune haznesinin boş olduğu (ya da kör numune bulunduğu) durumda ışık kaynağından gelen ışın demeti (I₀) numune içerisinden geçirilir ve ışın demeti dedektöre ulaşır. Işın dedektöre ulaştığında (I) potansiyel fark şeklinde bir karşılık oluşur. Numune haznesi örnek ile doldurulduğunda ise kaynaktan yayılan ışığın bir kısmı madde tarafından tutulacaktır ve dedektöre ulaşan ışık miktarı azalacaktır. Bu durumda ise ilk örneğe göre daha düşük miktarda karşılık elde edilecektir. Analizin prensibi dedektöre düşen ışık miktarı ve buna karşılık elde edilen potansiyel farkın belirlenmesidir. Spektroskopik analizlerde çözeltideki X türünün miktarının belirlenmesi çalışmalarında aşağıdaki yol takip edilir.

1. Spektrofotometre uygun dalga boyuna ayarlanır. Uygun dalga boyu, tepkime sonucunda oluşacak renkli ürünün en yüksek absorpsiyonu gösterdiği dalga boyu olarak seçilir.

2. Farklı derişimlerde X çözeltileri hazırlanır

3. Spektrofotometreye kör numune yerleştirilerek cihaz sıfırlanır

4. Spektrofotometreye farklı derişimlerde çözeltiler sırayla konur ve ölçümler kaydedilerek çalışma grafiği hazırlanır.

5. Spektrofotometreye analizi yapılacak numune konur ve ölçüm kaydedilir

6. Çalışma grafiğinin doğru denklemi kullanılarak numune içerisindeki X türünün derişimi belirlenir. 

Aşağıdaki tabloda örnek bir durum incelenmiştir. Tablodan görüleceği gibi çözelti derişimi arttıkça dedektöre ulaşan ışın sayısı azalmakta ve bunun bir karşılığı olarak da dedektörde oluşan potansiyel fark düşmektedir. Cihazın belirlediği bu potansiyel fark olup bu değer absorbans birimine çevrilir.

Elde edilen derişime karşılık absorbans değerleri grafiğe geçirilir ve çalışma grafiği elde edilmiş olur. Çalışma grafiğinin doğrusal değişim gösterdiği aralık için doğru denkleminden yararlanılarak bilinmeyen maddenin miktarının analizi gerçekleştirilir. Aşağıdaki grafikte de göreceğinin gibi derişime karşılık elde edilen absorbans değerlerinin uyumu korelasyon katsayısı ile ifade edilmiş olup veriler arasında ~%98 uyum elde edilmiştir.

Analizin son kısmında içerisindeki madde miktarı analiz edilecek numune cihaza yerleştirilir ve absorbans değeri okunur. Bu örnek için absorbansın 0,513 olarak kaydedildiği analiz numunesindeki X bileşiğinin derişimi aşağıdaki şekilde hesaplanır.